Исследование и разработка архитектур перспективных вычислительных гридов и интеллектуальных энергосетей

• Автор: Анисимов, Сергей Анатольевич
• Шифр специальности: 05.13.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 154 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ РАЗРАБОТОК В ОБЛАСТИ ПОСТРОЕНИЯ СЕТЕЙ СЛЕДУЮЩЕГО ПОКОЛЕНИЯ
1.1 Вычислительные и энергетические сети
1.2 Существующая архитектура вычислительных и энергетических СЕТЕЙ
1.3 Существующая архитектура информационных ресурсов
1.4 Выводы
ГЛАВА 2. АНАЛИЗ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ СЕТЕЙ СЛЕДУЮЩЕГО ПОКОЛЕНИЯ
2.1 Модели грида
2.2 Оптимальная топология грида
2.3 Оптимальная топология энергетической сети
2.4 Выводы
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НАГРУЗКИ НА УЗЛЫ В LDF ГРИДАХ
3.1 Нагрузка в гридах
3.2 Алгоритм управления отказами в LDF сетях
3.3 Борьба с недостатками топологии LDF сетей
3.4 Постановка задачи оптимизации топологии графа
3.5 Решение задачи оптимизации топологии графа с помощью генетического алгоритма
3.6 Выводы
ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ В СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫМИ ЭНЕРГОСЕТЯМИ
4.1 Алгоритмы управления отказами в энергетических сетях следующего поколения
4.2 Разработка алгоритма маршрутизации в энергетических сетях следующего поколения
4.3 Внедрение алгоритмов в интеллектуальных энергосетях..
4.4 Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
ПРИЛОЖЕНИЕ 3

ВВЕДЕНИЕ
Общая характеристика работы
Диссертационная работа посвящена исследованию архитектур перспективных вычислительных гридов и интеллектуальных энергосетей. Разработаны и исследованы математические модели сложных сетей. Базовым понятием архитектуры системы является топология объединения ее элементов. В диссертации разработаны критерии оптимизации топологий для вычислительных гридов и энергосетей. Показано, что применение существующих топологий сетей приводит к неравномерной нагрузке на информационные ресурсы в гридах и к усугублению последствий каскадных аварий в энергетических сетях, соответственно. Исследованы оптимальные топологии для соответствующих сетей. Разработаны протоколы поиска ресурсов и алгоритмы управления отказами в вычислительных гридах. Также разработаны алгоритмы маршрутизации сообщений и управления отказами в интеллектуальных энергосетях. Методы и алгоритмы, предложенные в данной работе, были использованы при проектировании системы управления на сетях с трансформаторно-тиристорными регуляторами напряжения и мощности.
Актуальность
Одной из важнейших потребностей общества является решение различных прикладных задач в области молекулярной биологии, гидрологии, систем прогнозирования, и др. Для решения сложных вычислительных задач обычно используют одну из парадигм распределенной вычислительной инфраструктуры. Наиболее перспективный способ - использование гридов, которые объединяют гетерогенные ресурсы, одним из типов которых являются специальные ресурсы хранения: информационные ресурсы (каталоги). Каталог осуществляет
обнаружение, учет использования, совместное выделение ресурсов, мониторинг состояния грида. Проанализировав различные реализации архитектур гридов, представленные в [12, 13, 15, 16, 30, 35, 42-43, 46, 57], оказалось, что все они

имеют ряд существенных недостатков, связанных с централизацией каталога ресурсов: при выходе из строя центрального каталога ресурсов грид
неработоспособен; каталог парализуется частыми запросами при большом количестве ресурсов сети; в каталоге хранится неактуальная информация. Распределение нагрузки на узлы сети крайне неравномерное. Для устранения недостатков, указанных выше, требуется разработать оптимальную топологию вычислительных гридов.
Другой важной потребностью является надежное обеспечение электроснабжения. Данная потребность является настолько актуальной, что является одной из основных стратегических целей развития электроэнергетики. В настоящее время в энергетических сетях используются радиальные топологии, которые имеют следующие недостатки: усугубление последствий каскадных аварий, отсутствие достаточной связности между узлами сети, следствием чего является невозможность обеспечить отключенных потребителей электроэнергией, и принципиальная невозможность скомпенсировать дефицит электроэнергии в некоторых районах города. Кроме этого сети 6-10 кВ и ниже практически не имеют управления. Существует концепция Smart grid - интеллектуальных энергосистем следующего поколения, где параллельно энергосетям построена информационная сеть, с помощью которой происходит передача информации между различными устройствами и между потребителями и поставщиками электроэнергии. Для устранения недостатков, указанных выше необходимо предложить оптимальную топологию энергосетей. Топология информационной сети, в данном случае, будет совпадать с архитектурой энергосетей следующего поколения.
Таким образом, требуется разработать децентрализованные топологии для вычислительных гридов и энергосетей. Для данных перспективных сетей необходимо исследовать распределение нагрузки на узлы сети и разработать алгоритм управления отказами. На сегодняшний день исследование топологий, протоколов и алгоритмов, данных сетей остается открытой задачей. Поиск

сети ссылку на крайнюю точку, в которой определены веб служба и набор свойств для однозначной идентификации конкретного ресурса с помощью механизма WS-Addressing.
• WS-Notification - есть модель взаимодействий, основанная на механизме событий, которая используется для связи между объектами. Данная модель также широко используется при функционировании веб служб. Данный стандарт представляет собой семейство спецификаций, которые определяют стандартный подход, принятый в веб службах для уведомительных сообщений, используя предметную модель подписки/рассылки.
Более подробно спецификации WSRF разобраны в работах [38, 46, 50].
1.2.5 Инструментальный комплекс Globus
Ниже будет рассмотрен SDK Globus Toolkit, который является в настоящее время де факто стандартным средством разработки приложений для гридов. Инструментальный комплекс Globus - есть свободно распространяемая система, основу которой составляет открытая архитектура. Данный инструментальный комплекс позволяет решать проблемы безопасности, обнаружения ресурсов и управления ими, выявления отказов, управления данными и связью и др. Текущая реализация грид-служб в исполнительной среде обеспечивает виртуализацию ресурсов и автоматическое их распределение между экземплярами служб. Данная среда содержит пул ресурсов с единым управлением, которое осуществляется с помощью менеджера ресурсов. Функциями менеджера ресурсов являются: выделение ресурсов и поддержка выполнения заданий. В состав также входят различные программные приложения, которые эффективно поддерживают гриды и приложения, созданные для них, вследствие этого, механизмы Globus получили широкое распространение во многих крупных гридах во всем мире [27]. В 2003 году появилась реализация, основанная на архитектуре OGSA - Globus Toolkit 3.